Sperimentazione di algoritmi di localizzazione per sorgenti acustiche

L'obiettivo di questo elaborato è quello di realizzare un sistema di acquisizione real-time e low cost, in grado di stimare la posizione di una sorgente sonora. Per acquisizione real-time si intende un sistema in grado di seguire gli spostamenti della sorgente audio nell'ambiente, limitando il più possibile i tempi di latenza fra un'acquisizione e l'altra. A tal fine si sfrutteranno due coppie di microfoni, che concorrereranno in maniera sequenziale alla stima dell'angolo di arrivo del suono (e quindi della retta su cui giace il punto di provenienza del suono). Combinando i dati raccolti dai quattro microfoni sarà dunque possibile risalire alla posizione di provenienza della sorgente sonora. Il software (implementato in MATLAB) verrà ampiamente discusso nei seguenti capitoli, il suo scopo sarà quello di gestire l'acquisizione dati, garantire il funzionamento real-time e fornire una stima di posizione della sorgente sonora, mostrando il relativo errore commesso durante la misura, nel caso in cui si conosca a priori la posizione della sorgente.

Implementazione di algoritmi di localizzazione di sorgenti audio

Questo progetto è stato ideato con lo scopo di implementare e simulare un algoritmo di stima della posizione di una sorgente sonora. E' stato scelto di utilizzare MATLAB come strumento di sviluppo. Tutti i dispositivi hardware utilizzati sono compatibili, interfacciabili tra loro ed ampiamente descritti all'interno di questo elaborato.

Elaborazione di segnali audio per la localizzazione di sorgenti

In questo lavoro viene trattata l'elaborazione di segnali audio per la localizzazione di sorgenti sonore. Di certo gli elementi che concorrono maggiormente nella localizzazione del suono sono le nostre orecchie: esse sono separate dalla testa, che funge da ostacolo acustico. E' importante distinguere se la sorgente si trova davanti agli occhi dell'ascoltatore, ossia nel piano interaurale, o se altrimenti occupa una posizione più o meno laterale. In tali due casi i segnali audio raggiungeranno in modo diverso le due orecchie: avremo rispettivamente che essi, in un caso, raggiungeranno le due orecchie contemporaneamente; nell'altro una delle due orecchie riceverà un segnale ritardato ed attenuato. Tale elaborato si propone di ricreare uno scenario di classe virtuale in cui, attraverso l'utilizzo di MATLAB, vengono riprodotti i vari segnali cercando di fornire la sensazione di un ascolto reale, andando ad operare su di essi.

Simulazione di sistemi quantistici, approccio numerico e sperimentale nel caso della localizzazione di Anderson

In questo lavoro viene presentato l'utilizzo di simulatori quantistici nello studio di sistemi a molte componenti. Dall'idea iniziale di Feynman della intersimulazione tra sistemi quantistici in questi anni si è sempre più sviluppata la tecnica sperimentale necessaria a creare sistemi di atomi in reticoli ottici ben controllati, nei quali riprodurre il comportamento di sistemi di natura diversa, ottenendo risultati promettenti nell'indagine di situazioni non trattabili analiticamente o numericamente. Tra questi, la conduzione di elettroni in materiali disordinati è ancora un problema aperto. In questa tesi nello specifico sono trattati i modelli di Anderson e di André-Aubry, i quali prevedono una transizione da stati estesi a localizzati in presenza di disordine nel materiale. I due modelli sono stati investigati numericamente su reticoli monodimensionali e i risultati confrontati con una realizzazione sperimentale realizzata con atomi freddi.

Multi-microphone recordings (EigenMike32) inside a WFS system (Iosono) through Ambisonics techniques using Matlab

El audio multicanal ha avanzado a pasos agigantados en los últimos años, y no solo en las técnicas de reproducción, sino que en las de capitación también. Por eso en este proyecto se encuentran ambas cosas: un array microfónico, EigenMike32 de MH Acoustics, y un sistema de reproducción con tecnología Wave Field Synthesis, instalado Iosono en la Jade Höchscule Oldenburg. Para enlazar estos dos puntos de la cadena de audio se proponen dos tipos distintos de codificación: la reproducción de la toma horizontal del EigenMike32; y el 3er orden de Ambisonics (High Order Ambisonics, HOA), una técnica de codificación basada en Armónicos Esféricos mediante la cual se simula el campo acústico en vez de simular las distintas fuentes. Ambas se desarrollaron en el entorno Matlab y apoyadas por la colección de scripts de Isophonics llamada Spatial Audio Matlab Toolbox. Para probar éstas se llevaron a cabo una serie de test en los que se las comparó con las grabaciones realizadas a la vez con un Dummy Head, a la que se supone el método más aproximado a nuestro modo de escucha. Estas pruebas incluían otras grabaciones hechas con un Doble MS de Schoeps que se explican en el proyecto “Sally”. La forma de realizar éstas fue, una batería de 4 audios repetida 4 veces para cada una de las situaciones garbadas (una conversación, una clase, una calle y un comedor universitario). Los resultados fueron inesperados, ya que la codificación del tercer orden de HOA quedo por debajo de la valoración Buena, posiblemente debido a la introducción de material hecho para un array tridimensional dentro de uno de 2 dimensiones. Por el otro lado, la codificación que consistía en extraer los micrófonos del plano horizontal se mantuvo en el nivel de Buena en todas las situaciones. Se concluye que HOA debe seguir siendo probado con mayores conocimientos sobre Armónicos Esféricos; mientras que el otro codificador, mucho más sencillo, puede ser usado para situaciones sin mucha complejidad en cuanto a espacialidad. In the last years the multichannel audio has increased in leaps and bounds and not only in the playback techniques, but also in the recording ones. That is the reason of both things being in this project: a microphone array, EigenMike32 from MH Acoustics; and a playback system with Wave Field Synthesis technology, installed by Iosono in Jade Höchscule Oldenburg. To link these two points of the audio chain, 2 different kinds of codification are proposed: the reproduction of the EigenMike32´s horizontal take, and the Ambisonics´ third order (High Order Ambisonics, HOA), a codification technique based in Spherical Harmonics through which the acoustic field is simulated instead of the different sound sources. Both have been developed inside Matlab´s environment and supported by the Isophonics´ scripts collection called Spatial Audio Matlab Toolbox. To test these, a serial of tests were made in which they were compared with recordings made at the time by a Dummy Head, which is supposed to be the closest method to our hearing way. These tests included other recording and codifications made by a Double MS (DMS) from Schoeps which are explained in the project named “3D audio rendering through Ambisonics techniques: from multi-microphone recordings (DMS Schoeps) to a WFS system, through Matlab”. The way to perform the tests was, a collection made of 4 audios repeated 4 times for each recorded situation (a chat, a class, a street and college canteen or Mensa). The results were unexpected, because the HOA´s third order stood under the Well valuation, possibly caused by introducing material made for a tridimensional array inside one made only by 2 dimensions. On the other hand, the codification that consisted of extracting the horizontal plane microphones kept the Well valuation in all the situations. It is concluded that HOA should keep being tested with larger knowledge about Spherical Harmonics; while the other coder, quite simpler, can be used for situations without a lot of complexity with regards to spatiality.

Using Reverberation to Improve Range and Elevation Discrimination for Small Array Sound Source Localization

Sound source localization (SSL) is an essential task in many applications involving speech capture and enhancement. As such, speaker localization with microphone arrays has received significant research attention. Nevertheless, existing SSL algorithms for small arrays still have two significant limitations: lack of range resolution, and accuracy degradation with increasing reverberation. The latter is natural and expected, given that strong reflections can have amplitudes similar to that of the direct signal, but different directions of arrival. Therefore, correctly modeling the room and compensating for the reflections should reduce the degradation due to reverberation. In this paper, we show a stronger result. If modeled correctly, early reflections can be used to provide more information about the source location than would have been available in an anechoic scenario. The modeling not only compensates for the reverberation, but also significantly increases resolution for range and elevation. Thus, we show that under certain conditions and limitations, reverberation can be used to improve SSL performance. Prior attempts to compensate for reverberation tried to model the room impulse response (RIR). However, RIRs change quickly with speaker position, and are nearly impossible to track accurately. Instead, we build a 3-D model of the room, which we use to predict early reflections, which are then incorporated into the SSL estimation. Simulation results with real and synthetic data show that even a simplistic room model is sufficient to produce significant improvements in range and elevation estimation, tasks which would be very difficult when relying only on direct path signal components.

Coluna de som utilizando array de transdutores de ultrasons

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Criação de programa informático em ambiente Matlab® para estudo de estruturas planas pelo Método de Elementos Finitos.

Os modelos a ser analisados pelo Método de Elementos Finitos são cada vez mais complexos e, nos tempos que correm, seria impensável realizar tais análises sem um apoio computorizado. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura. Sob o pretexto de permitir a qualquer utilizador uma análise de estruturas simples com o Método dos Elementos Finitos, surge esta tese, onde se irá criar de raiz um programa com interface gráfica no ambiente MATLAB® para análise de estruturas simples com dois tipos de elemento finito, triangular de deformação constante e quadrangular de deformação linear. O software desenvolvido, verificado por comparação com um software comercial dedicado para o efeito, efetua malhagem com elementos bidimensionais triangulares e quadriláteros e resolve modelos arbitrados pelo Método de Elementos Finitos, representando estes resultados visualmente e em formato tabular.

Towards self-ware via swarm-array computing

The work reported in this paper proposes Swarm-Array computing, a novel technique inspired by swarm robotics, and built on the foundations of autonomic and parallel computing. The approach aims to apply autonomic computing constructs to parallel computing systems and in effect achieve the self-ware objectives that describe self-managing systems. The constitution of swarm-array computing comprising four constituents, namely the computing system, the problem/task, the swarm and the landscape is considered. Approaches that bind these constituents together are proposed. Space applications employing FPGAs are identified as a potential area for applying swarm-array computing for building reliable systems. The feasibility of a proposed approach is validated on the SeSAm multi-agent simulator and landscapes are generated using the MATLAB toolkit.

Proportional controllers: Direct method for stability analysis and MATLAB implementation

In most cases, the cost of a control system increases based on its complexity. Proportional (P) controller is the simplest and most intuitive structure for the implementation of linear control systems. The difficulty to find the stability range of feedback systems with P controllers, using the Routh-Hurwitz criterion, increases with the order of the plant. For high order plants, the stability range cannot be easily obtained from the investigation of the coefficient signs in the first column of the Routh's array. A direct method for the determination of the stability range is presented. The method is easy to understand, to compute, and to offer the students a better comprehension on this subject. A program in MATLAB language, based on the proposed method, design examples, and class assessments, is provided in order to help the pedagogical issues. The method and the program enable the user to specify a decay rate and also extend to proportional-integral (PI), proportional-derivative (PD), and proportional-integral-derivative (PID) controllers.

Ultrasonic non-destructive testing of plate-like structures using piezoelectric array transducers

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Sviluppo di metodologie di localizzazione nel contesto del Comprehensive Nuclear Test-Ban Treaty

Since the first underground nuclear explosion, carried out in 1958, the analysis of seismic signals generated by these sources has allowed seismologists to refine the travel times of seismic waves through the Earth and to verify the accuracy of the location algorithms (the ground truth for these sources was often known). Long international negotiates have been devoted to limit the proliferation and testing of nuclear weapons. In particular the Treaty for the comprehensive nuclear test ban (CTBT), was opened to signatures in 1996, though, even if it has been signed by 178 States, has not yet entered into force, The Treaty underlines the fundamental role of the seismological observations to verify its compliance, by detecting and locating seismic events, and identifying the nature of their sources. A precise definition of the hypocentral parameters represents the first step to discriminate whether a given seismic event is natural or not. In case that a specific event is retained suspicious by the majority of the State Parties, the Treaty contains provisions for conducting an on-site inspection (OSI) in the area surrounding the epicenter of the event, located through the International Monitoring System (IMS) of the CTBT Organization. An OSI is supposed to include the use of passive seismic techniques in the area of the suspected clandestine underground nuclear test. In fact, high quality seismological systems are thought to be capable to detect and locate very weak aftershocks triggered by underground nuclear explosions in the first days or weeks following the test. This PhD thesis deals with the development of two different seismic location techniques: the first one, known as the double difference joint hypocenter determination (DDJHD) technique, is aimed at locating closely spaced events at a global scale. The locations obtained by this method are characterized by a high relative accuracy, although the absolute location of the whole cluster remains uncertain. We eliminate this problem introducing a priori information: the known location of a selected event. The second technique concerns the reliable estimates of back azimuth and apparent velocity of seismic waves from local events of very low magnitude recorded by a trypartite array at a very local scale. For the two above-mentioned techniques, we have used the crosscorrelation technique among digital waveforms in order to minimize the errors linked with incorrect phase picking. The cross-correlation method relies on the similarity between waveforms of a pair of events at the same station, at the global scale, and on the similarity between waveforms of the same event at two different sensors of the try-partite array, at the local scale. After preliminary tests on the reliability of our location techniques based on simulations, we have applied both methodologies to real seismic events. The DDJHD technique has been applied to a seismic sequence occurred in the Turkey-Iran border region, using the data recorded by the IMS. At the beginning, the algorithm was applied to the differences among the original arrival times of the P phases, so the cross-correlation was not used. We have obtained that the relevant geometrical spreading, noticeable in the standard locations (namely the locations produced by the analysts of the International Data Center (IDC) of the CTBT Organization, assumed as our reference), has been considerably reduced by the application of our technique. This is what we expected, since the methodology has been applied to a sequence of events for which we can suppose a real closeness among the hypocenters, belonging to the same seismic structure. Our results point out the main advantage of this methodology: the systematic errors affecting the arrival times have been removed or at least reduced. The introduction of the cross-correlation has not brought evident improvements to our results: the two sets of locations (without and with the application of the cross-correlation technique) are very similar to each other. This can be commented saying that the use of the crosscorrelation has not substantially improved the precision of the manual pickings. Probably the pickings reported by the IDC are good enough to make the random picking error less important than the systematic error on travel times. As a further justification for the scarce quality of the results given by the cross-correlation, it should be remarked that the events included in our data set don’t have generally a good signal to noise ratio (SNR): the selected sequence is composed of weak events ( magnitude 4 or smaller) and the signals are strongly attenuated because of the large distance between the stations and the hypocentral area. In the local scale, in addition to the cross-correlation, we have performed a signal interpolation in order to improve the time resolution. The algorithm so developed has been applied to the data collected during an experiment carried out in Israel between 1998 and 1999. The results pointed out the following relevant conclusions: a) it is necessary to correlate waveform segments corresponding to the same seismic phases; b) it is not essential to select the exact first arrivals; and c) relevant information can be also obtained from the maximum amplitude wavelet of the waveforms (particularly in bad SNR conditions). Another remarkable point of our procedure is that its application doesn’t demand a long time to process the data, and therefore the user can immediately check the results. During a field survey, such feature will make possible a quasi real-time check allowing the immediate optimization of the array geometry, if so suggested by the results at an early stage.

Implementazione di una nuova metodologia per la simulazione di un motore sovralimentato ad alte prestazioni

In questo lavoro verrà analizzato lo sviluppo di una nuova modellazione matematica per la simulazione della dinamica del flusso all’interno del sistema di aspirazione per motori sovralimentati. Tale modellazione si basa sulla risoluzione numerica mediante la formulazione proposta da Courant, Isaacson e Rees (CIR) nel 1952 per il set delle equazioni non conservative di Eulero per il caso monodimensionale. L’applicazione attraverso il software Matlab-Simulink di tali discretizzazioni numeriche garantisce la possibilità di calcolare la dinamica del flusso all’interno del condotto. L’innovazione proposta da questo lavoro consiste nel considerare l’intero stato da iterare come un vettore, permettendo di gestire parte delle operazioni da compiere con delle matrici. Questo approccio è stato adottato sia per una maggior velocità di calcolo, sia per rendere più agevole la modifica della geometria, ad esempio in fase di progettazione. La routine di lancio del nuovo modello, infatti, gestirà autonomamente la scrittura delle matrici, a partire dai pochi parametri necessari per la definizione della geometria all’interno del codice. Si andranno quindi a presentare i passaggi più importanti che hanno portato alla scrittura del codice, con particolare attenzione poi alla fase di validazione del modello. Essa sarà basata sia su un altro codice presente in letteratura, modellato anch’esso attraverso risoluzione CIR, sia mediante dati sperimentali utilizzati per la validazione di tale implementazione. Seguirà infine un’analisi dettagliata sui fattori che influenzano, positivamente e negativamente, l’esito delle simulazioni realizzate, come la discretizzazione spaziale e quella temporale, prestando sempre particolare attenzione alla stabilità del metodo.

Co-simulazione e co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali

L’attività di ricerca contenuta in questa tesi si è concentrata nello sviluppo e nell’implementazione di tecniche per la co-simulazione e il co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali. Questo lavoro presenta un metodo rigoroso per considerare le interazioni tra due sistemi posti sia in condizioni di campo vicino che in condizioni di campo lontano. In sostanza, gli effetti del sistema trasmittente sono rappresentati da un generatore equivalente di Norton posto in parallelo all’antenna del sistema ricevente, calcolato per mezzo del teorema di reciprocità e del teorema di equivalenza. La correttezza del metodo è stata verificata per mezzo di simulazioni e misure, concordi tra loro. La stessa teoria, ampliata con l’introduzione degli effetti di scattering, è stata usata per valutare una condizione analoga, dove l’elemento trasmittente coincide con quello ricevente (DIE) contenuto all’interno di una struttura metallica (package). I risultati sono stati confrontati con i medesimi ottenibili tramite tecniche FEM e FDTD/FIT, che richiedono tempi di simulazione maggiori di un ordine di grandezza. Grazie ai metodi di co-simulazione non lineari/EM sopra esposti, è stato progettato e verificato un sistema di localizzazione e identificazione di oggetti taggati posti in ambiente indoor. Questo è stato ottenuto dotando il sistema di lettura, denominato RID (Remotely Identify and Detect), di funzioni di scansione angolare e della tecnica di RADAR mono-pulse. Il sistema sperimentale, creato con dispositivi low cost, opera a 2.5 GHz ed ha le dimensioni paragonabili ad un normale PDA. E’ stato sperimentata la capacità del RID di localizzare, in scenari indoor, oggetti statici e in movimento.